tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 35
21. ročník - č. 2/2012
METRO CHENNAI, INDIE CHENNAI METRO, INDIA HELENA BROOKSOVÁ TOUŠOVÁ, JAN ČENĚK, MARTIN TYRLIK
ÚVOD Demografická exploze dvacátého století učinila z Indie jednu z nejlidnatějších zemí světa. Nejpalčivěji se s rychlým nárůstem počtu obyvatelstva potýkají především indická velkoměsta, kde neutěšený stav hromadné dopravy donutil vlády jednotlivých svazových států k urychlenému řešení: výstavbě městských drah. V době indického ekonomického boomu mají již města jako Dillí či Kalkata část sítě metra vybudovánu a dále ji rozšiřují, následovány Chennaí a Bangalore. Chennai, dříve známa jako Madrás, je hlavním městem indického svazového státu Tamilnádu, který se rozprostírá na jihovýchodě indického subkontinentu při pobřeží Bengálského zálivu. Chennai je čtvrtou největší indickou aglomerací a pátým nejlidnatějším městem v Indii. K roku 2011 měla přes 8,9 milionu obyvatel. ZÁKLADNÍ INFORMACE O PROJEKTU První fáze projektu počítá s vybudováním 45,1 km trasy, přičemž 24 km bude vedeno v podzemí. Tato fáze byla dále rozdělena na několik dílčích částí, které byly zadány různým zhotovitelům systémem „Design & Build“ (navrhni & postav). Tento článek popisuje sekci pracovně označovanou jako UAA-04. Jedná se o 3,7 km dlouhý podzemní úsek trasy zahrnující dvojici traťových tunelů ražených plnoprofilovými zeminovými štíty (dále jen EPBS), včetně 12 tunelových propojek ražených konvenčně a dále tří hloubených stanic: Nehru Park, Kilpauk Medical College a Pachaiappa College (obr. 1). Hlavními účastníky projektu jsou: Klient: Chennai Metro Rail Limited (CMRL), Indie Generální konzultant: EGIS Rail-Maunsell/AECOM-BARSYLEGIS (EMBYE), Indie Zhotovitel stanic a propojek: Larsen&Turbo (L&T), Indie Zhotovitel tunelů: Shanghai Urban Contstruction Group (SUCG), Čína Generální projektant: Mott MacDonald (MMD), Indie, ČR, Maďarsko, SAE Mott MacDonald má v roli generálního projektanta kromě architektonického a konstrukčního řešení všech stavebních částí mimo jiné na starosti i doplňující geologický průzkum, monitoring (viz samostatný článek) a zlepšování vlastností zeminového prostředí. GEOTECHNICKÉ POMĚRY Většinu podloží svazového státu Tamilnadu tvoří poloostrovní štít krystalinika archaického a prekambrického stáří. Skalní podloží je zde tvořeno granulity (charnockit, leptinit) a rulami různých typů. V okolí tektonických zón se také vyskytují mladší diabasy. Geologické podloží samotné Chennai je pak tvořeno zejména jíly, břidlicemi a pískovci. Podloží města lze tedy rozdělit do tří oblastí – oblast s písčitým podložím (řeky a pobřežní oblasti), oblast s jílovitým podložím (nejrozšířenější) a oblast s podložím ze skalních hornin. Předkvartérní podloží je ve východní polovině trasy zastoupeno především metamorfity – charnockity (bělavá až nazelenalá hrubozrnná hornina složená hlavně z křemene, živce a hypersténu). Západní polovina je pak tvořena porušenými sedimentárními horninami (pískovce, břidlice). Kontakt mezi oběma horninovými typy je pravděpodobně tektonický, průzkumem však zastižen nebyl. Kvartérní sedimenty (říční a mořské) jsou v trase metra zastoupeny hlinitopísčitými zeminami s jílovitou příměsí a polohami a čočkami písčitých jílů.
INTRODUCTION
The demographic explosion of the twentieth century made India one of the most populous countries in the world. The rapid increase in the number of the population poses arduous problems to be coped with, first of all by Indian big cities, where the dreary situation in mass transport has compelled governments, from individual states, to start solving it rapidly by developing urban railways. Cities such as Delhi and Calcutta have already developed parts of their metro networks during the Indian economic boom and have continued developing them, with the cities of Chennai and Bangalore following them. The city of Chennai, formerly known as Madras, is the capital of Tamilnadu, the Indian union state spreading out from the south-east of the Indian subcontinent, at the Bay of Bengal coast. Chennai is the fourth largest Indian agglomeration and the fifth most populous city in India. As of 2011, it had the population of 8.9 million. BASIC INFORMATION ON THE PROJECT
The first phase of the project expects that 45.1 km of the route will be constructed, with 24 km running underground. This phase was sub-divided into several parts, the contracts for which were
Trasa I / Corridor I Podzemní část / Undergroud Nadzemní část / Elevated Výhled / Under study
Trasa II / Corridor II Nadzemní část / Elevated Výhled / Under study
Obr. 1 Rozsah úseku UAA-04 v rámci celého projektu (Chennai Metro Rail Limited) Fig. 1 The extent of the UAA-04 section within the whole project (Chennai Metro Rail Limited)
35
tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 36
21. ročník - č. 2/2012 Úroveň hladiny podzemní vody je značně proměnlivá a variuje zejména v závislosti na ročním období. Svého maxima dosahuje během období monzunových dešťů (říjen až prosinec), kdy ji lze zastihnout již jeden metr pod úrovní terénu. Minimální hodnoty lze zase očekávat v horkém a suchém období (březen–srpen), kdy byla hladina zastižena až v hloubce přes 9 metrů. Pro statické výpočty však byla hladina podzemní vody uvažována až v úrovni terénu. Agresivita prostředí je pro území Chennaie hodnocena jako extrémně „náročná“ (mořská voda) [1]. Ze seismického hlediska se Chennai řadí k nejstabilnějším regionům Indické litosférické desky, i když jsou zde historicky zaznamenána zemětřesení přesahující 5 stupňů Richterovy stupnice. V roce 2002 v rámci nové indické klasifikace [2] byl celý region přeřazen ze zóny II (nízké seismické riziko) do zóny III (střední riziko). Návrh konstrukcí s ohledem na seismické účinky je podrobněji zmíněn dále (obr. 2). INTERPRETACE GEOTECHNICKÝCH POMĚRŮ
Prvním úkolem projektanta bylo interpretovat geotechnické poměry ze stávajících podkladů a z již zhotovené zadávací dokumentace a na jejich základě doporučil provést doplňkový geotechnický průzkum. Po jeho zpracování byla provedena podrobná geotechnická interpretace pro návrh trvalých i dočasných konstrukcí. Průzkumné vrtání v Indii má však svá specifika (podrobněji v následujícím článku autorů Zemánek a Zahradník). Klíčovým problémem se ukázalo určení hranice mezi pískem (usazeným) a zcela zvětralým pískovcem v podloží. Ačkoli bylo tuto hranici možné zcela bezpečně identifikovat z průběhu penetračních křivek, byla bohužel tato hranice stanovena pouze podle dokumentace porušených vzorků z vrtání, která ukazovala polohu písků ještě o několik metrů hlouběji. Tato interpretace zvětralé horniny se setkala ze strany klienta s velmi odlišným názorem a ten tak akceptoval celý profil jako nesoudržnou zeminu. V důsledku rozdílného názoru na geotechnické poměry stavby byly podzemní stěny stanic předimenzovány a následné diskuse zpozdily výstavbu podzemních stěn hloubených stanic a startovacích šachet o dva měsíce.
Obr. 2 Seismická mapa Indie (Wikipedia) Fig. 2 Seismic map of India (Wikipedia)
36
awarded to different contractors using the Design & Build procurement system. This paper describes the section with the working designation UAA-04. It is a 3.7 km long underground section of the route comprising a pair of running tunnels driven by full-face earth pressure balance (EPB) shields, including 12 conventionally driven cross passages and three cut-and-cover build stations: Nehru Park, Kilpauk Medical College and Pachaiappa College (see Fig. 1). Main parties to the project: Client: Chennai Metro Rail Limited (CMRL), India General consultant: EGIS Rail-Maunsell/AECOM-BARSYLEGIS (EMBYE), India Contractor for stations and cross passages: Larsen&Turbo (L&T), India Contractor for tunnels: Shanghai Urban Construction Group (SUCG), China General designer: Mott MacDonald (MMD), India, the Czech Republic, Hungary, the SAE Mott MacDonald, in their role as the general designer responsible not only for the architectural and structural design for all construction parts, but also for the supplementary geological survey, monitoring (see a separate paper), and improving of soil environment properties. GEOTECHNICAL CONDITIONS The majority of the geological bedrock of the state of Tamilnadu are formed by the peninsula crystalline thrust sheet of the archaic and pre-Cambrian age. The bedrock is formed by granulites (charnockite, leptinite) and gneiss of various types. Younger diabases are also found in the vicinity of tectonic zones. The geological bedrock of the city of Chennai consists of clays, shales and, sandstone. It is therefore possible to divide the bedrock of the city into three areas: the area with sandy basement (rivers and coastal areas), the area with clay subsoil (the most widely spread) and the area with hard rock layer. The pre-quaternary layer in the eastern half of the route is represented by metamorphites – charnockites (whitish to greenish rock consisting mainly of quartz, feldspar and hyperstene). The western half is formed by fractured sedimentary rocks (sandstone, shales). The interface between the two rock types is probably tectonic; however, it was not encountered by the investigation. The Quaternary sediments (of the river and marine origins) found along the metro alignment are represented by loamy soils with a clay addition and layers/lenses of sandy clays. The water table level is highly variable depending on the season of the year. It reaches its maximum during monsoon rains (October through December), when it is possible to be even one metre under the ground surface. Minimum values can be anticipated in the hot and dry season (March through August), during which the water table was encountered as deep as over 9 m under the surface. For the needs of the structural analyses, the water table was assumed to be at the terrain level. The corrosivity of the environment is assessed to be extremely high (sea water) for the Chennai area [1]. From the seismic point of view, Chennai is ranked among the most stable regions of the Indian litospheric plate, despite the fact that earthquakes exceeding 5 on the Richter Scale have been recorded in the history. In 2002, the entire region was reclassified within the framework of the new Indian classification system [2] from zone II (low seismic risk) to zone III (medium risk). The structural design, as far as seismic effects are concerned, is mentioned in more detail below (see Fig. 2). INTERPRETATION OF GEOTECHNICAL CONDITIONS The first task for the designer was to interpret the geotechnical conditions on the basis of existing source documents and the already completed tender documents. They recommended on the
tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 37
21. ročník - č. 2/2012 basis of the above-mentioned documents that a supplementary geotechnical investigation was to be carried out. When the processing of results of the survey had been completed, a detailed geotechnical interpretation for the design for permanent and temporary structures was carried out. Survey drilling in India has its specific rules (for more details see the next paper by authors Zemánek and Zahradník). The determination of the border between sand (deposited) and the completely weathered sandstone in the sub-base turned out to be the key problem. Even though it was possible to identify the interface absolutely safely from the penetration curves, it was, unfortunately, determined only according to the logs based on disturbed drill samples, which showed the sand layer to be several metres deeper than it was in reality. This interpretation of weathered rock met an absolutely different opinion of the client, who for that reason accepted the idea that the entire profile consisted of incohesive soil. Due to the different opinion on geotechnical conditions of the construction, diaphragm walls along the stations were oversized and subsequent discussions delayed the construction of diaphragm walls for cover-and-cut stations and launching shafts for two months.
Obr. 3 Rozpíraná stavební jáma montážní šachty Nehru Park Fig. 3 Braced construction pit for the Nehru Park assembly shaft
HLOUBENÉ STANICE
Součástí kontraktu UAA-04 jsou celkem tři hloubené stanice: Nehru Park (NP), Kilpauk Medical College (KMC) a Pachaiappa College (PC). Rozměry všech tří stanic jsou obdobné (délka 230 m, šířka 22 m, hloubka 19–20 m). Všechny stanice jsou konstruovány pod ochranou rozepřených podzemních stěn tl. 1000 mm metodou „Top & Down“. Na koncích stanic jsou v předstihu konstruovány montážní šachty pro manipulaci s EPBS (obr. 3). Právě hloubené stanice se v první fázi projektu ukázaly jako nejproblematičtější a značně zpozdily celý harmonogram výstavby. Exemplárním příkladem může být samotné umístění stanice Pachiappa Collage. Tato stanice měla být umístěna pod pozemkem Univerzity Pachiappa tak, jak bylo stanoveno v zadávací dokumentaci. Během přípravy realizační dokumentace se však změnil názor na výstavbu stanice na univerzitě a ta svůj souhlas s výstavbou na svém pozemku odvolala. Hledalo se tedy náhradní řešení, které zvažovalo i variantu stanici úplně vynechat a postavit pouze větrací šachtu. Jako druhá a nakonec i výsledná varianta bylo zvoleno přeložení stanice pod přilehlou silnici s nutností ji částečně uzavřít a přeložit. Celou situaci ještě komplikovala přítomnost podzemních zásobníků benzinu z nedaleké čerpací stanice. Tato změna zásadně zasáhla do koncepce celého projektu, bylo potřeba dodatečně zajistit všechna povolení, vstupy na pozemky, povolení památkářů atd., což vedlo ke zpoždění výstavby o téměř tři měsíce. V dnešních dnech už byly i zde zahájeny stavební práce. Další komplikace se vyskytly v počátcích výstavby první montážní šachty pro spuštění EPBS (ve stanici NP). Při zajištění vyhloubených lamel podzemní stěny pažicí suspenzí (polymer) došlo v období monzunových dešťů k nežádoucímu naředění této suspenze, kolapsu stěn několika lamel a následnému vyvalení zeminy do jejich prostoru.
COVER-AND-CUT STATIONS The UAA-04 contract comprises three cover-and-cut stations: Nehru Park (NP), Kilpauk Medical College (KMC) and Pachaiappa College (PC). Dimensions of all three stations are similar (230 m deep, 22 m wide, 19-20 m deep). All stations are designed to be built by the top-down method, under the protection of 1000 mm thick braced diaphragm walls. Assembly shafts for handling the EPBs are being constructed in advance at the ends of the stations (see Fig. 3). The cover-and-cut stations turned out, in the first phase of the project, to be the most troublesome. They significantly delayed the entire construction programme. The location of the Pachiappa College itself can be used as an exemplary example. This station was to be located under a plot belonging to the Pachiappa’s College, as it was specified in tender documents; unfortunately, the College changed their opinion during the preparation of the detailed design and withdrew their approval of the construction on their land. For that reason a substitute solution was sought, which even contained a variant where the station was completely left out and only a ventilation shaft was to be constructed. The second variant, eventually the final one, comprised the relocation of the station under an adjacent road; it required a partial closure of traffic and the road relocation. The whole situation was further complicated by the presence of underground petrol reservoirs of a nearby filling station. This change fundamentally weighed in the concept of the whole design. It was necessary to additionally provide all permits, rights-of-way, approvals of conservationists etc. This process led to a delay of the construction for nearly 3 months. Construction work in this location has only started recently. Other complications were encountered at the beginning of the construction of the first assembly shaft for the EPBS to be lowered in it (at the NP station). When the lamellae for a diaphragm wall was being stabilised by the bracing slurry (polymeric) during monsoon rains, undesirable thinning of the slurry caused a collapse of several lamellae and subsequent filling of the space with soil. TUNNELS Two full-face EPB TBMs 6.68 m in diameter, with the thrust of 35, 000 kN, manufactured by Chinese company SMEC (Shanghai Tunnel Engineering Company) were chosen for the driving of tunnels at the total length of 2x3.4 km (see Fig. 4). Both tunnel tubes will be driven starting from the above-mentioned launching shafts located in the cover-and-cut stations and ending in dismantling shafts, which will also be located in the spaces of the
37
tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 38
21. ročník - č. 2/2012
Obr. 4 EPBS č. 1 ve výrobním závodě v Číně Fig. 4 EPBS No. 1 in the manufacturing plant in China
TUNELY
Pro ražbu tunelů o celkové délce 2x3,4 km, byly zvoleny dva plnoprofilové zeminové štíty EPBS o průměru 6,68 m a přítlakem 35 000 kN vyrobené čínskou společností SMEC (Shanghai Tunnel Engineering Company) (obr. 4). Ražba obou tubusů bude prováděna z již zmíněných startovacích šachet umístěných v hloubených stanicích a ukončena bude v demontážních šachtách rovněž situovaných v prostorách hloubených stanic tak, jak je znázorněno na schématu (obr. 5). Z něj je patrné, že ve stanicích NP & PC jsou z obou stran umístěny startovací šachty, ve stanici KMC jsou umístěny dvě demontážní šachty a ve stanicích Egmore a Shenoy Nagar (nejsou součástí kontraktu UAA-04) jsou po jedné situovány demontážní šachty. I když jsou tyto šachty umístěny už ve stanicích sousedních zhotovitelů, musí zde být umožněno přijmout a vyzvednout EPBS. Požadavkem zhotovitele bylo, že každé EPBS bude v realizovaném úseku celkem 4x rozebrán a 4x smontován na úseku 3,7 km. K tomuto poněkud komplikovanému postupu bylo nutno přistoupit vzhledem ke koordinaci dvou různých zhotovitelů (tunely x stanice) s předpokladem, že stanice nebudou včas vyhloubeny. Tři hloubené stanice tedy rozdělily ražby traťových tunelů do následujících 4 sekcí: Sekce 1: Stanice Egmore (EG) – Nehru Park (NP): 2x950 m, 3 propojky Sekce 2: Nehru Park (NP) – KMC: 2x570 m, 2 propojky Sekce 3: KMC – Pachaiappa College (PC): 2x820 m, 3 propojky Sekce 4: Pachaiappa College (PC) – Shenoy Nagar (SN): 2x1050 m, 4 propojky V současné době se již připravuje spuštění prvního EPBS pro ražbu prvního úseku ze startovací šachty situované v budoucí stanici
Obr. 5 Schéma postupu EPBS v úseku UAA-04 Fig. 5 A chart of the EPB TBM advancing along UAA-04 section
38
cover-and-cut stations, as shown in the chart (see Fig 5). It is obvious from the chart that launching shafts are located on both sides of the NP & PC stations, whilst two dismantling shafts are in the footprint of the KMC station. The Egmore station and the Shenoy Nagar station (these stations are not parts of the UAA-04 contract) contain one dismantling shaft each. Despite the fact that these shafts are located in stations which are parts of neighbouring contracts, they have to be able to receive the EPBS and allow lifting them out. The contractor required that each EPBS was dismantled 4 times and assembled 4 times within the 3.7 km long section. This complicated the procedure some and had to be adopted with respect to the coordination of two different contractors (tunnels vs. stations), assuming that the excavation for stations would not be completed on time. The three cover-and-cut stations therefore divided the driving of running tunnels into the four following sections: Section 1: Egmore station (EG) – Nehru Park station (NP): 2x950 m, 3 cross passages Section 2: Nehru Park (NP) – KMC: 2x570 m, 2 cross passages Section 3: KMC - Pachaiappa College (PC): 2x820 m, 3 cross passages Section 4: Pachaiappa College (PC) – Shenoy Nagar (SN): 2x1050 m, 4 cross passages At the moment, the first EPBS is being prepared to be launched to drive the initial section from the launching shaft located in the future Nehru Park station, proceeding toward the Egmore station (which is not part of the UAA-04 contract). It is unfortunately not certain whether the contractor for the neighbouring section will manage to prepare the Egmore station in due time so that the EPBS can be dismantled and moved to the next section without waiting in front of the uncompleted station. The EPBS will pass through the diaphragm walls of the shafts (stations) after a steel ring is installed (see Fig. 6). After removing concrete and dismantling the concrete reinforcement cages, the stability of the excavation face within the openings for the passage of the shields will be secured only by means of jet grouting (see the improvement of soil environment properties). The lining of running tunnels itself consists of 5+1 reinforced concrete segments with the inner diameter of 5.8 m. The segments are 275 mm thick and 1.2 m long. Two types of segments are used (right-hand and left-hand ones) with the keystone always installed in the upper part of the vault. Joints between segments are sealed with expanding EPDM gaskets. Segment moulds were supplied by Herrenknecht. The depth of the tunnels under the ground surface ranges from 18 to 21 m (12 – 14 m high cover). The majority of the route runs under the busy NH4 road in the downtown, having mostly only concentrated single-storey buildings, but exceptionally also high-rises (e.g. a 16-storey hospital) in its vicinity. Neglecting seismic loads when the lining is being designed, no matter whether it is in the medium seismic risky area, would be an unpleasant designing faux pas because the influence of seismism on the design for underground structures is pronounced even despite the fact that the entire structure is in contact with the sub-grade, as opposed to surface structures. The value of the horizontal acceleration was determined on the basis of the Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) [3,4], measurement records and the recommended peak ground acceleration (PGA) value of
tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 39
21. ročník - č. 2/2012 Nehru Park směrem k stanici Egmore (není součástí kontraktu UAA-04). Bohužel není jisté, zda zhotovitel sousedního úseku stihne připravit stanici Egmore včas, tak aby mohl být EPBS demontován a přemístěn na další úsek a nemuselo vyčkávat před nedokončenou stanicí. Samotný průchod EPBS skrz podzemní stěny šachet (stanic) bude prováděn po instalaci ocelového prstence (obr. 6). Po ručním odstranění betonu a rozpojení výztuže tak bude stabilita čelby v místě prostupu štítu zajištěna pouze pomocí tryskové injektáže (viz zlepšování vlastností zeminového prostředí). Vlastní ostění traťových tunelů tvoří železobetonové segmenty v systému 5+1 o vnitřním průměru 5,8 m, tloušťce ostění 275 mm a délce 1,2 m. Jsou použity dva typy prstenců (pravý a levý) tak, aby byl klenák umístěn vždy v horní části klenby. Těsnění mezi segmenty je použito pryžové (EPDM) s expandující páskou. Formy na segmenty dodala firma Herrenknecht. Hloubka tunelů se pohybuje v rozmezí 18–21 m pod úrovní terénu (tj. s nadložím 12–14 m). Většina trasy je vedena pod frekventovanou silnicí NH4 v centru města, v jejíž blízkosti se většinou nachází pouze soustředěná přízemní zástavba, výjimečně však i výšková zástavba (např. šestnáctipodlažní nemocnice). Opomenout seismické zatížení při návrhu ostění, byť i v seismicky středně rizikové oblasti, by bylo nepříjemné projekční faux pas, neboť vliv seismicity na návrh podzemních konstrukcí je markantní i přes ten fakt, že celá konstrukce je ve styku s podložím, na rozdíl od povrchových staveb. Na základě PSHA (Probabilistic Seismic Hazard Assessment) [3, 4], záznamů měření a doporučené PGA (peak ground acceleration) byla stanovena hodnota horizontálního zrychlení na 0,135–0,152 g podle specifické hloubky traťových tunelů pod terénem. Tyto hodnoty byly dále použity při vyčíslení vnitřních sil segmentového ostění, které se od klasického výpočtu, byť výpočtu s nelineárními fyzikálními modely zemin, liší v rozsahu 135–280 % (čtenář má možnost srovnání s podobným výpočtem propojek níže, které mají menší velikost), tedy naprosto nezanedbatelnou hodnotou. Vliv seismického zatížení na železobetonové segmenty byl posuzován analyticky podle běžně dostupných vztahů a algoritmů a také numericky metodou konečných prvků s uvažováním nelineárních fyzikálních modelů zemin. Pro numerickou simulaci MKP se osvědčily zejména pokročilé konstitutivní modely, které vykazují poměrně vysokou shodu s realitou, zatímco lineárně elastické – dokonale plastické modely bez manuální iterace byly využity pouze pro orientační predikce. Je samozřejmé, že vstupní parametry maximálně ovlivňují výběr daného modelu, proto byla snaha nevycházet pouze z doporučené geologické interpretace, ale ponořit se do sad laboratorních zkoušek a vytvořit přehledný balík vstupních dat do parametrických studií. Závěrem této kapitoly nám dovolte ještě zmínit jednu „indickou“ zajímavost. V Indii má mnoho domácností soukromé studny na pitnou vodu. Jak již bylo zmiňováno, bude pro ražbu tunelů použit plnoprofilový zeminový štít, který projde v blízkosti hustě obývané zástavby. Z tohoto důvodu bylo nutno stanovit zónu ovlivnění ražby vůči těmto studnám. Tato zóna byla stanovena na základě obdobných projektů v Indii v pásmu 6 m od os tunelů a všechny studny (i nepoužívané) spadající do této zóny musí být vyhledány a zainjektovány. Zhotoviteli tak přibude úkol zajistit dodávky pitné vody pro všechny zasažené domácnosti, což se v indických poměrech může jevit značně nereálně.
Obr. 6 Ocelový prstenec pro průchod EPBS z projektu metra v Dilí Fig. 6 Steel ring for the passage of the EPBS used on the Delhi Metro project
0.135–0.152 g, depending on the specific depth of the running tunnels under the ground surface. These values were further used when inner forces in the segmental lining were being calculated. They differ from the classical calculation, even though non-linear physical models of soil are used, in the range of 135 – 280 % (the reader can compare them with a similar calculation for cross passages referred to below, the magnitude of which is smaller). Obviously this value is absolutely non-negligible. The influence of seismic loading on reinforced concrete segments was assessed analytically, according to relationships and algorithms commonly available, and also numerically, using the Finite Element Method taking non-linear physical models of soils into consideration. Advanced constitutive models acquitted themselves best for the FEM numerical simulation. They exhibit relatively high degree of agreement with reality, whilst linearly elastic-perfectly plastic models without manual interaction were used only for preliminary predictions. Of course, the input parameters affect the selection of the particular model to the maximum. For that reason efforts were made to use not only the recommended geological interpretation, but also to delve into sets of laboratory tests and develop a well-arranged package of input data for parametric studies. At the conclusion of this chapter let us mention another “Indian” curiosity. Many Indian households have private drinking water wells. As mentioned above, a full-face EPBS will be used for the tunnelling. It will run in the vicinity of a high-density residential development. For that reason it was necessary to define the zone within which the tunnelling is affected by the wells. This zone was determined on the basis of similar projects in India to extend 6 m on either side of the centre lines of the tunnels. All wells found in this zone, even the unused ones, must be found and filled with grout. This means that a new task for the contractor will be added: to ensure supplies of drinking water for all affected households. This task may appear to be highly unrealistic in the Indian conditions. TUNNEL CROSS PASSAGES
TUNELOVÉ PROPOJKY Celkem je navrženo 12 tunelových propojek. Ty jsou kruhového průřezu s vnějším průměrem 4 m, budou raženy konvenčně s primárním ostěním ze stříkaného betonu tl. 250 mm a sekundárním železobetonovým monolitickým ostěním tl. 250 mm. Ražba bude probíhat na plnou čelbu, povětšinou pod ochranou tryskové injektáže v celé ploše propojky, sekundární ostění bude zmonolitněno za pomocí rozkládacího bednicího vozu s dodělávanými čely a doinjektovávaným vrcholem klenby. Hydroizolace je vzhledem ke komplikovaným tvarům a křížení navržena jako stříkaná. Ve
There are a total of 12 cross passages designed for the project. They are circular in cross-section with the outer diameter of 4 m. They will be driven conventionally, with a 250mm thick shotcrete primary lining and with a 250 mm thick cast-in-situ reinforced concrete secondary lining. A full-face excavation process will be applied, mostly under the protection of jet grouting covering the whole area of the cross passage cross-section. The secondary lining will be made monolithic using collapsible travelling formwork with stop ends added on site. Grout will be injected over the top of the arch. Spray-applied waterproofing is designed with
39
tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 40
21. ročník - č. 2/2012
Obr. 7 Podélný řez tunelovou propojkou s odvodňovací jímkou Fig. 7 Longitudinal section through a cross passage with a drain pit
čtyřech propojkách s nejnižším bodem mezi stanicemi jsou rovněž navrženy odvodňovací jímky (obr. 7). Podle dokumentu NFPA130 [5], mají být traťové tunely, jakožto samostatné požární úseky, vzájemně propojeny tunelovými propojkami po vzdálenostech nepřesahujících 244 m. Tato vzdálenost však byla v několika místech překročena již v zadávací dokumentaci, a proto by tak měl klient převzít plnou zodpovědnost za požární riziko plynoucí z tohoto faktu. Jak už bylo zmíněno u traťových tunelů, mají účinky seismicity negativní vliv také na návrh samotných propojek a zejména jejich působení v systému traťový tunel – propojka – traťový tunel. Nejen proto (samotné železobetonové límce jsou vždy atypické podle natočení propojky vzhledem k traťovým tunelům a uspořádání segmentových dílců a samotná betonáž do rozkládacích bednicích bloků je prováděna samostatně – smrštění takovéto monolitické železobetonové konstrukce vyvozuje nezanedbatelná napětí, atd.) je konstrukčně zamezeno přenášení příčných deformací traťových tunelů do propojky a v propojkách, které slouží také jako odvodňovací, jsou jímky dostatečně odizolovány v celém svém objemu pružným materiálem tak, aby těmto příčným pohybům nebránily. Samotné posouzení propojek, resp. sekundárního ostění na účinky seismicity sehrálo nemalou roli v jejich dimenzování. Podle geologických profilů a podle pozice skalního podloží se vnitřní síly v sekundárním ostění pohybují od 115–245 % původních sil bez uvažovaného seismického zatížení a je jisté, že již jen zvýšené pórové tlaky při krátkodobém – tedy neodvodněném – seismickém zatížení, hrají nezanedbatelnou roli při statickém návrhu. ZLEPŠOVÁNÍ VLASTNOSTÍ ZEMINOVÉHO PROSTŘEDÍ
Podle výsledné geologické interpretace, v níž měl konečné hlavní slovo klient, bylo zřejmé, že většina propojek bude ražena v prostředí písků a bude tedy nutné zamezit masivním přítokům nejen k čelbě, ale obecně vhodnou metodou zajistit stabilitu výrubu. Z mnoha nabízejících se variant (např. chemická injektáž, zmrazování, apod.) byla zejména vzhledem ke komplikovanému tvaru křížení propojka – traťový tunel a relativní jednoduchosti technologie zvolena trysková injektáž aplikovaná z povrchu, a to dvoufázová s patřičným rozsahem doporučených hodnot (složení směsi,
40
respect to the complicated shapes and intersections. Drain pits are proposed for four cross passages found at the lowest points between the stations (see Fig. 7). According to the NFPA130 document [5], running tunnels as well as independent fire compartments are to be interconnected by cross passages at intervals not exceeding 244m. Since this spacing was exceeded in several locations already in tender documents, the client should assume full responsibility for the fire risk following from this fact. As mentioned above in the case of the running tunnels, the effects of seismism have a negative influence even on the design for the cross-passages themselves and, first of all, on their role within the running tunnel – cross passage – running tunnel system. This is not the only reason (the reinforced concrete collars are always atypical depending on the skew angle of the cross passage with respect to the running tunnels and the configuration of the segments, and the casting of concrete behind the collapsible formwork blocks is carried out separately – the shrinking of such a mass reinforced concrete structure induces non-negligible stresses, etc.) why the transfer of transverse deformation of running tunnels to a cross passage is structurally prevented and the whole volume of sumps in the cross passages serving also to drainage purposes is additionally isolated by an elastic material so that the sumps do not prevent the transverse movement. The assessment of the cross passages, or more precisely of the secondary lining, for seismism effects played no small role in their dimensioning. Inner forces in the secondary lining range from 115–245 % of the original forces without the seismic load taken into consideration, depending on the geological profiles and the position of the bedrock. It is certain that even the increased pore pressures at short-term (undrained) seismic loading play a nonnegligible role in the structural analysis. IMPROVING SOIL ENVIRONMENT PROPERTIES
According to the resultant geological interpretation, in which the client had the main say, it was obvious that the majority of cross passages would be driven through an environment consisting of sands, therefore it would be necessary not only to prevent massive
tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 41
21. ročník - č. 2/2012 pracovní tlak, rychlost otáček, rychlost zdvihu, atd.). Je zde potřeba zdůraznit, že tryskoTraťový tunel / Running tunnel Traťový tunel / Running tunnel vá injektáž bude prováděna pod hladinou podzemní vody při zanedbatelném proudění, v opačném případě by výraznější gradient vodních tlaků zejména v prostředí dobře zrněných písků mohl znamenat odplavování injektážní směsi, a tedy velké ztráty již tak Trysková injektáž / Jet grounting Trysková injektáž / Jet grounting finančně náročné technologie. Při návrhu se předpokládalo, že ochranný blok tryskové injektáže (TI) bude zrealizován před průjezdem samotných EPBS tak, aby sloupy TI obklopily budoucí otvor do propojky v maximální možné míře (řezná hlava štítu s přesazenými řeznými nástroji je téměř vždy Startovací/přijímací šachta zemního štítu větší než samotný štít, avšak následná injekEPBS launching/receiving shaft táž prováděna za strojem zabezpečuje dodatečnou funkci utěsnění, která musí být v oblastech propojek bedlivě monitorována snímáním tlaků na injektážím zařízení EPBS). Zároveň však, zejména po rozporu s geologickou interpretací, bylo důrazně Obr. 8 Situace použití tryskové injektáže u startovací šachty doporučeno provést zkoušky tryskové injek- Fig. 8 Situation of the application of jet grouting at a launching shaft táže s obnažením sloupu TI a odzkoušením inflows to the heading but also to secure stability of the excavation jádra jak na výslednou pevnost, tak také na propustnost using a generally suitable method. Jet grouting applied from the v předpokládaných zeminách pro následnou optimalizaci návrhu. surface ( two-phase grouting with adequate scope of the recomOba technické aspekty hrají totiž velkou roli při samotné ražbě, kdy mended values, such as the mixture composition, working pressuje důležité stabilizovat výrub, zamezit přítokům, ale zároveň neznere, rotation speed, lifting rate etc.), was selected among many varisnadňovat samotnou ražbu běžně dostupnou technologií. Výsledný ants on offer (e.g. chemical grouting, freezing etc.) taking into conkompromis TI tedy zněl – pracovní tlak 40 MPa; w/c 1–1,3; průměr sideration the complicated shape of intersections of cross passages trysky min. 2,6 mm (optim. 1x5 mm); zdvih 0,2–0,25 m/min; rychwith running tunnels and the relative simplicity of the technology. lost otáček 18–20/min.; energie tryskání min. 20 MJ/m pro dosažení It is necessary in this case to put stress on the fact that the jet grou95 % statistického vzorku o pevnosti 2–4 MPa, průměru sloupů min. ting will be carried out under the water table at negligible flow rate. 1 m a max. propustností 1E-05 cm/s. Hned první ražená propojka If this is not the case, a more profound gradient of water pressures, potvrdí, zdali výsledek technické diskuse byl správný a oprávněný. especially in the environment formed by well graded sands, could Jedním z důvodů, proč byla také zvolena trysková injektáž, byl mean washing of grouting mixture away, causing significant losses striktní předpis klienta, že hladina podzemní vody nesmí klesnout in the otherwise financially demanding technology. It was assumed víc než 2 m pod stávající průměrnou úroveň HPV. Jak je již zmíněduring the work on the design that a protective jet grouted block no v předchozím odstavci, navržená trysková injektáž má zaručit would be developed before the passage of the EPBS, so that the jet stabilitu výrubu a nepropustnost v době prorážky propojky grouting columns surrounded the future opening to the cross passav segmentech a výrubu propojky samotné. Stejné vlastnosti má mít ge to the maximum possible extent (the cutterhead with offset cuttotiž i trysková injektáž navržená pro startovací a demontážní šachting tools is nearly always larger than the shield itself, but the subty EPBS, které budou pod ochranou zlepšeného zeminového bloku sequent grouting which is carried out behind the machine provides (délka min. 1x průměr tunelu, šířka 2 průměry) právě z tryskové sufficient sealing function, which must be carefully monitored in injektáže (obr. 8). Rozjezd EPBS ze/do stavební jámy, pokles povrthe areas of cross passages by means of pressure sensors installed chu, nepropustnost a stabilita otevřeného bloku jsou totiž on the EPBS grouting equipment). At the same time, it was strongv minulosti diskutovaná témata, která mají hlavní vliv na schopnost ly recommended, after the disagreement with the geological interEPBS udržet požadovaný směr zejména při startu. Zde jsou nepropretation was revealed, to conduct tests of the jet grouting where pustnost vody a specifická pevnost sloupů TI stěžejní pro správný a jet grout column would be exposed and the resultant strength and technický návrh a řádné započetí ražby. the permeability in the anticipated soils would be tested on the core Za zmínku na tomto místě jistě stojí komplikovaná koordinace se to make subsequent optimisation of the design possible. The reason zhotovitelem sousedního úseku ohledně tryskové injektáže za jeho was that two technical aspects play an important role during the podzemní stěnou. V případě, že by došlo k poškození podzemní tunnelling process, where it is important to stabilise the excavated stěny jiného zhotovitele, nebylo jisté, kdo nakonec ponese rizika opening and prevent inflows, while not making the driving difficult spojená s výstavbou ochranného bloku, případných nákladů na for the commonly available technology. The resulting compromise opravu, atd. Jisté však je, že požadavek zhotovitele na numerickou for the jet grouting process was: working pressure of 40 MPa, w/c analýzu takovéto události je přinejmenším úsměvný a při krytí 1–1.3; minimum nozzle diameter of 2.4 mm (1x5 mm optimal); lifvýztuže podzemních stěn min. 100 mm a pracovních tlacích do ting rate of 0.2–0.25 m/min; rotation speed of 18–20 revolutions per 40 MPa je možné uvažovat pouze s lokálním porušením krycí vrstminute; minimum jetting energy of 20 MJ/m required to achieve vy do hloubky maximálně několika cm, na což byl zhotovitel upo95 % of statistic sample with the strength of 2–4 MPa, with the zorněn a bylo mu doporučeno provést zkušební tryskání na obdobminimum diameter of columns of 1 m and the maximum permeabiný fragment železobetonové podzemní stěny pro zjištění míry lity of 1E-05 cm/s. Only the first bored cross passage would confirm poškození krycí vrstvy výztuže. whether the result of the technical discussion had been correct and Navrhovaná trysková injektáž byla předmětem oponentských justified. posudků nezávislých expertů klienta a generálního konzultanta a byla One of the reasons why the jet grouting method was chosen jimi v plné míře odsouhlasena a doporučena jako nejefektivnější was a strict directive of the client that the water table was not metoda. allowed to drop by more than 2 m under the existing mean WTL.
41
tunel_2_12:tunel_3_06
30.5.2012
14:49
Stránka 42
21. ročník - č. 2/2012
Obr. 9 Obřad Puja před zahájením stavby Fig. 9 Puja ceremony prior to the construction work commencement
As mentioned in the previous paragraph, the proposed jet grouting technology is required to ensure the excavation stability and impermeableness at the moment of breaking of the cross passage through the segments and the excavation of the cross passage itself. The reason is that the jet grouting proposed for the EPBS launching shafts and dismantling shafts, which will be under the protection of the improved soil block (the length and width of 1 x tunnel diameter and 2 tunnel diameters as the minimum, respectively) consisting of jet grouting is to have identical properties (see Fig. 8). The EPBS starting from the construction pit and arriving in the pit, the settlement of the ground surface, impermeableness and stability of the opened block are topics which had been discussed in the past, having the main influence on the EPBS to maintain the required direction, first of all during the start. In this case the water impermeableness and specific strength of jet grout columns are crucial for correct designing and good commencement of excavation. The complicated coordination with the contractor for the neighbouring section. regarding the jet grouting behind his diaphragm wall is certainly worth mentioning in this place. It was not certain who would take the risks associated with the construction of the protective block and contingent cost of repairs etc. should a diaphragm wall of another contractor be damaged. In any case, it is certain that the contractor’s requirement for a numerical analysis of such an event is unusual and unrealistic. At the minimum cover of the diaphragm wall reinforcement of 100mm and working pressures of up to 40 MPa, it is possible to assume only local damage of the cover layer to the maximum depth of several centimetres. The contractor was given a notice of it and was recommended to carry out trial jetting on a similar fragment of a reinforced concrete diaphragm wall with the aim of determining the degree of damage to the reinforcement cover. The proposed jet grouting process was the subject of opponent assessments by independent experts hired by the client and the general consultant. They fully approved it and recommended it as the most effective method.
ZÁVĚR
CONCLUSION
Závěrem nám dovolte zmínit jednu netechnickou zajímavost doprovázející zahájení každé indické stavby: obřad zvaný „Puja“, při němž se žehná hinduistickým božstvům, posvěcují se všechny stroje, umisťuje oltář na staveništi, obřadně rozbíjí kokosový ořech, atd. (obr. 9). Věříme tedy, že nejen s touto „přízní božstev“ se i přes všechny možné komplikace, které už nastaly a jistě ještě nastanou, podaří projekt úspěšně dokončit tak, aby metro v Chennai pomohlo odlehčit současné neúnosné situaci a přineslo rychlý, pohodlný, ekonomický a moderní způsob přepravy. Celý projekt chennaiského metra, jehož odhadované náklady činí 2,2 mld. USD, bude dokončen v roce 2015.
Allow us at the conclusion to mention one non-technical curiosity accompanying the commencement of each Indian construction. It is a ceremony called “Puja”, during which Hindu gods are blessed. They consecrate all machines, an altar is installed on the site, a coconut is ceremonially broken etc. (see Fig. 9). We therefore believe that it will be not only owing to this “favour of divine beings” that, despite all possible complications which have already been and certainly will be encountered, the project will be successfully completed, so that the metro in Chennai can help to unburden the current intolerable situation and the quick, comfortable, economic and modern transport system is brought to the city. The entire Chennai metro project, the estimated cost of which amounts to USD 2.2 billion, will be completed in 2015.
ING. HELENA BROOKSOVÁ TOUŠOVÁ,
[email protected], MOTT MACDONALD PVT LTD., ING. JAN ČENĚK,
[email protected], ING. MARTIN TYRLIK,
[email protected], MOTT MACDONALD CZ, spol. s r. o. Recenzoval: doc. Ing. Matouš Hilar, Ph.D.
ING. HELENA BROOKSOVÁ TOUŠOVÁ,
[email protected], MOTT MACDONALD PVT LTD., ING. JAN ČENĚK,
[email protected], ING. MARTIN TYRLIK,
[email protected], MOTT MACDONALD CZ, spol. s r. o.
LITERATURA / REFERENCES
[1] IS 456:2000 Plain and Reinforced Concrete – Code of Practice. Bureau of Indian Standards, New Delhi, 2000. [2] IS 1893:2002 Criteria for earthquake resistant design of structures. Bureau of Indian Standards, New Delhi, 2002. [3] Kramer, S. L. Geotechnical Earthquake Engineering. New York: Prentice Hall, 1995. [4] Reiter, L. Earthquake Hazard Analysis – Issue and Insights. New York: Columbia University Press, 1990. [5] NFPA 130 Standard for Fixed Guidway Transit and Passenger Rail Systems – 2010 Edition. National Fire Protection Association, 2010.
42
